基于nachos線程工作機制與系統(tǒng)調(diào)用及多道程序分析課程設計

1、 操作系統(tǒng)課程設計操作系統(tǒng)課程設計 專業(yè)名稱：專業(yè)名稱：_軟件工程_ 操作系統(tǒng)課程設計操作系統(tǒng)課程設計 基于 nachos 的課程設計 主要完成工作：閱讀代碼，完成基于線程優(yōu)先級調(diào)度，多道程序設計，完成小組課程設計報告 基于線程優(yōu)先級調(diào)度部分 一、問題分析及工作原理一、問題分析及工作原理 線程運行機制圖線程運行機制圖： callScheduler:ReadyToRun (Thread *thread) Scheduler:Run (Thread *nextThread, Yield () bool finishing) voidThread:Sleep Scheduler: (bool fin

2、ishing) ReadyToRun (Thread *thread) 進程的基本狀態(tài)：就緒，運行，阻塞 進程程的基本操作：創(chuàng)建，阻塞，喚醒 Fork 方法調(diào)用 StackAllocate，分配一塊固定大小的內(nèi)存作為線程的堆棧，設置棧Thread:Thread() Ready Thread:Yield() Thread:Fork() Thread *Scheduler: FindNextToRun () Running voidThread:Sleep (bool finishing) Blocked 首指針，線程準備好運行后進行線程切換，會切換到 ThreadRoot 函數(shù)。ThreadRo

3、ot函數(shù)將會開中斷，并調(diào)用 func(arg)成為一個獨立的調(diào)度單位。然后設置 PC 指針，從 ThreadRoot 開始運行，初始化宿主機寄存器，為 ThreadRoot 作好準備，ThreadRoot 將分別調(diào)用 InterruptEnable， func(arg)和 ThreadFinish。Yield方法用于本線程放棄處理機。Sleep 方法可以使當前線程轉(zhuǎn)入阻塞態(tài)，并放棄 CPU，直到被另一個線程喚醒，把它放回就緒線程隊列。如果沒有就緒線程時，就把時鐘前進到一個中斷發(fā)生的時刻，讓中斷發(fā)生并處理此中斷，這是因為在沒有線程占用CPU 時，只有中斷處理程序可能喚醒一個線程，并把它放入就緒線

4、程隊列。 Scheduler 類用于實現(xiàn)線程的調(diào)度。它維護一個就緒線程隊列，當一個線程可以占用處理機時，就可以調(diào)用 ReadyToRun 方法把這個線程放入就緒線程隊列，并把線程狀態(tài)改成就緒態(tài)。FindNextToRun 方法根據(jù)調(diào)度策略，取出下一個應運行的線程，并把這個線程從就緒線程隊列中刪除。如果就緒線程隊列為空，則此函數(shù)返回空(NULL)?，F(xiàn)有的調(diào)度策略是先進先出策略(FIFO) 二、二、算法思想設計：算法思想設計： 為線程（Thread）添加 priority 屬性，用來描述每個線程的優(yōu)先級，并在線程創(chuàng)建時設置或創(chuàng)建后修改線程的優(yōu)先級，加入就緒隊列（readyList）時，先比較當前線

5、程和就緒隊列里的線程的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的插入在前面，如果優(yōu)先級相同，則兩個線程按先后順序排列，相當與先來先服務（FCFS），這樣，當 CPU 空閑時需要從就緒隊列取出一個線程時，取出的總是優(yōu)先級最高的線程。 三、三、詳細設計及關鍵代碼分析詳細設計及關鍵代碼分析： 首先，為線程（Thread）添加 priority 屬性，用來描述每個線程的優(yōu)先級，并添加 int setpriority()設置進程優(yōu)先級和 getpriority（）獲得線程優(yōu)先級的函數(shù)，并增加新的構(gòu)造函數(shù) Thread(char* threadName ,int prio) /Thread.h/Thread.h /添加了 pri

6、ority 屬性以及 getPriority()和 setpriority() /添加了新的構(gòu)造函數(shù) Thread(char* threadName ,int prio) /thread.cc /在原來的構(gòu)造函數(shù) Thread（char *threadName）中設置默認優(yōu)先級為最高（0） /新的構(gòu)造方法 Thread(char* threadName ,int prio) 然后修改 readyList 為 SortedList 類型（原來為 List 類型），方便插入就緒線程，對線程進行排序。 /Scheduler.h 當一個線程需要加入到就緒隊列時不是采用原來的(thread)將線程加入到

7、最后，而是利用 Insert(thread)將線程按優(yōu)先級插入到就緒隊列 /Scheduler.cc 修改 SelfTest()創(chuàng)建幾個不同優(yōu)先級的進程進行測試 /Thread.cc 以上創(chuàng)建了四個不同優(yōu)先級的線程，按優(yōu)先級高的線程優(yōu)先執(zhí)行，如果優(yōu)先級相同，則按照等待時間長的優(yōu)先運行，線程優(yōu)先級為 t3t1t2=t4t3t1t2=t4 而由于線程2先于線程4加入等待隊列則線程2先執(zhí)行，故執(zhí)行順序應該為： t3t3- -t1t1- -t2t2- -t4t4 四、四、測試測試及結(jié)果分析：及結(jié)果分析： ./nachos -K 實際運行結(jié)果如下： 由以上運行結(jié)果可知進程是按優(yōu)先級高低順序來執(zhí)行的 五、

8、多道程序部分五、多道程序部分 主要完成以下設計： 1.exec 系統(tǒng)調(diào)用 exec 用于執(zhí)行一個可執(zhí)行文件 首先從 4 號寄存器讀取系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)(即傳遞的可執(zhí)行文件名指針,也就是在內(nèi)存的地址),然后從內(nèi)存讀取文件名,打開文件,使用該可執(zhí)行文件初始化一個新的進 程空間,將當前的進程的地址空間覆蓋,初始化所有的寄存器值,恢復到進程空間, 開始執(zhí)行。 2.Open 系統(tǒng)調(diào)用 Open 系統(tǒng)調(diào)用用于打開一個文件,返回文件描述符?？梢哉{(diào)用 nachos 系統(tǒng)封裝的 打開文件的方法,這個方法是調(diào)用了底層的操作系統(tǒng)的方法,然后打開的是宿 主系統(tǒng)的文件。然后將打開的文件描述符寫到 2 號寄存器,執(zhí)行下一條指

9、令。 3.Read 系統(tǒng)調(diào)用 read 系統(tǒng)調(diào)用傳遞打開的文件描述符,讀的大小,緩沖區(qū)地址用于存放讀的內(nèi)容, 返回讀得字節(jié)數(shù)。首先從寄存器取得參數(shù),然后調(diào)用 nachos 封裝宿主機的方法讀取 內(nèi)容以及讀到的字節(jié)數(shù),然后將內(nèi)容寫到 nachos 模擬的物理內(nèi)存,地址是 剛剛接受的參數(shù),最后將讀到的字節(jié)數(shù)寫道 2 號寄存器,執(zhí)行下一條指令。 4.Write 系統(tǒng)調(diào)用 先讀取內(nèi)容的地址(在內(nèi)存中),讀取寫入的大小以及要 寫入的文件描述符,然后寫到文件中(調(diào)用 nachos 封裝的方法)。 六六、問題分析問題分析 在實現(xiàn)多道程序時出現(xiàn)了比較多的問題，導致最后沒能完成，首先，我們對多道程序運行機制進行

10、了詳細的了解，并根據(jù)源碼中的樣例 ADD 的執(zhí)行過程，單步跟蹤，深入了解了 NACHOS 是如何執(zhí)行用戶程序的，然后進行算法思想的設計，即如何實現(xiàn)多道程序，在實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用程序設計階段，主要系統(tǒng)調(diào)用未能實現(xiàn)，主要原因是由于對代碼的整體把握出錯，由于在設計及分析階段只了解了 NACHOS 運行用戶程序的詳細流程以及如何進行用戶程序的調(diào)用，而對代碼的整體了解不夠，導致在根據(jù)設計思路完成程序設計的過程中，出現(xiàn)了比較大的問題，比如在實現(xiàn) EXEC系統(tǒng)調(diào)用時，根據(jù) NACHOS 的每個寄存器存的內(nèi)容不同，按規(guī)則讀取寄存的內(nèi)容，然后再進行對其內(nèi)容的操作，模仿源代碼已有的操作 ADD 系統(tǒng)調(diào)用，實現(xiàn) EXEC 系統(tǒng)調(diào)用。在測試程序運行時，出現(xiàn)了 cannot open file 的錯誤，主要原因是：由于在代碼實現(xiàn)時，寫錯了文件名所在寄存器，導致無法打開文件，所以就沒能完成文件調(diào)用的測試。而對 EXEC 系統(tǒng)調(diào)用的其他部分則是正確的，其他幾個系統(tǒng)調(diào)用也出現(xiàn)了同樣的問題，但是這個問題一直未能發(fā)現(xiàn)，導致本次設計無法順利進行下去。 七七、心得及體會、心得及體會 本次課程設計對我的提升還是非常大的，首先，由于分析了 NACHOS 的主要代碼以及詳細運行過程，對操作系統(tǒng)中的基本原理和核心算法有一個全面和完整的了解。對操作系統(tǒng)課上的內(nèi)容有了更深了理解，包括線程管理，內(nèi)存管理，系統(tǒng)調(diào)用機制，時鐘中斷